Cân bằng rôto: mất cân bằng tĩnh và động, cộng hưởng và quy trình thực hành
Hướng dẫn này giải thích về cân bằng rôto cho rôto cứng: Giải thích ý nghĩa của "mất cân bằng", sự khác biệt giữa mất cân bằng tĩnh và mất cân bằng động, tại sao cộng hưởng và phi tuyến tính có thể ngăn cản việc đạt được kết quả chất lượng, và cách thức cân bằng thường được thực hiện trên một hoặc hai mặt phẳng hiệu chỉnh.
Nội dung
- Rôto là gì và việc cân bằng giúp khắc phục những vấn đề gì?
- Các loại rôto và các loại mất cân bằng
- Sự rung động của các cơ cấu: những gì cân bằng có thể và không thể loại bỏ
- Cộng hưởng: một yếu tố ngăn cản sự cân bằng
- Mô hình tuyến tính so với mô hình phi tuyến tính: khi nào các phép tính không còn hiệu quả
- Thiết bị cân bằng và máy cân bằng
- Cân bằng rôto cứng (ghi chú thực hành)
- Cách thức thực hiện cân bằng động (phương pháp ba lần chạy)
- Tiêu chí đánh giá chất lượng cân bằng
- Tiêu chuẩn và tài liệu tham khảo
- Câu hỏi thường gặp
Rôto là gì và việc cân bằng giúp khắc phục những vấn đề gì?
Rô-to là một bộ phận quay quanh một trục nhất định và được giữ cố định bởi các bề mặt ổ đỡ của nó trên các giá đỡ. Các bề mặt ổ đỡ của rô-to truyền tải trọng đến các giá đỡ thông qua các ổ lăn hoặc ổ trượt. Các bề mặt ổ đỡ này chính là các bề mặt của các ngõng trục hoặc các bề mặt thay thế cho chúng.
Trong một rôto cân bằng hoàn hảo, khối lượng của nó được phân bố đối xứng quanh trục quay, nghĩa là bất kỳ phần tử nào của rôto cũng có thể được ghép nối với một phần tử khác nằm đối xứng quanh trục quay. Trong một rôto cân bằng, lực ly tâm tác dụng lên bất kỳ phần tử nào của rôto đều được cân bằng bởi lực ly tâm tác dụng lên phần tử đối xứng. Ví dụ, các lực ly tâm F1 và F2, có độ lớn bằng nhau và hướng ngược nhau, tác dụng lên các phần tử 1 và 2 (được đánh dấu màu xanh lá cây trong Hình 1). Điều này đúng với tất cả các phần tử rôto đối xứng, và do đó tổng lực ly tâm tác dụng lên rôto bằng 0 và rôto được cân bằng.
Tuy nhiên, nếu tính đối xứng của rô-to bị phá vỡ (phần không đối xứng được đánh dấu bằng màu đỏ trên Hình 1), thì lực ly tâm không cân bằng F₃ sẽ tác động lên rô-to. Khi quay, lực này thay đổi hướng theo chiều quay của rô-to. Tải trọng động do lực này gây ra được truyền đến các ổ trục, dẫn đến tình trạng mài mòn gia tăng.
Ngoài ra, dưới tác động của lực hướng biến đổi này, các giá đỡ và móng – nơi cố định rôto – sẽ bị biến dạng theo chu kỳ, tức là xảy ra hiện tượng rung động. Để khắc phục tình trạng mất cân bằng của rôto và hiện tượng rung động kèm theo, cần lắp đặt các khối cân bằng nhằm khôi phục tính đối xứng cho rôto.
Cân bằng rô-to là quy trình khắc phục tình trạng mất cân bằng bằng cách lắp thêm các khối cân bằng.
Nhiệm vụ của việc cân bằng là xác định kích thước và vị trí (góc) của một hoặc nhiều khối cân bằng.
Các loại rôto và các loại mất cân bằng
Dựa trên độ bền của vật liệu rôto và độ lớn của lực ly tâm tác dụng lên nó, rôto có thể được chia thành hai loại - rôto cứng và rôto mềm.
Các rôto cứng chỉ biến dạng rất ít dưới tác động của lực ly tâm trong các chế độ làm việc, và ảnh hưởng của sự biến dạng này trong các tính toán có thể bỏ qua.
Biến dạng của rôto mềm không thể bỏ qua được nữa. Biến dạng của rôto mềm làm phức tạp việc giải quyết bài toán cân bằng và đòi hỏi phải áp dụng các mô hình toán học khác so với bài toán cân bằng rôto cứng. Cần lưu ý rằng cùng một rôto ở tốc độ thấp có thể hoạt động như rôto cứng, và ở tốc độ cao lại hoạt động như rôto mềm. Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ chỉ xem xét việc cân bằng rôto cứng.
Tùy thuộc vào sự phân bố khối lượng không cân bằng dọc theo chiều dài rôto, có thể phân biệt hai loại mất cân bằng - tĩnh và động (moment). Theo đó, người ta đề cập đến việc cân bằng rôto tĩnh và động. Mất cân bằng rôto tĩnh xảy ra khi rôto không quay, tức là trong điều kiện tĩnh, khi rôto bị trọng lực đảo chiều với "điểm nặng" hướng xuống dưới. Hình 2 minh họa một ví dụ về rôto bị mất cân bằng tĩnh.
Sự mất cân bằng động chỉ xảy ra khi rôto đang quay.
Một ví dụ về rôto bị mất cân bằng động được trình bày trong Hình 3.
Trong trường hợp này, hai khối lượng bằng nhau không cân bằng M1 và M2 nằm trên các mặt phẳng khác nhau - ở các vị trí khác nhau dọc theo chiều dài của rôto. Ở trạng thái tĩnh, tức là khi rôto không quay, chỉ có trọng lực tác dụng lên rôto và các khối lượng cân bằng với nhau. Trong động lực học, khi rôto quay, các lực ly tâm Fc1 và Fc2 bắt đầu tác dụng lên các khối lượng M1 và M2. Các lực này có độ lớn bằng nhau và hướng ngược nhau. Tuy nhiên, vì chúng được tác dụng ở các vị trí khác nhau dọc theo chiều dài của trục và không nằm trên cùng một đường thẳng, nên các lực này không triệt tiêu lẫn nhau. Các lực Fc1 và Fc2 tạo ra một mômen xoắn tác dụng lên rôto. Do đó, sự mất cân bằng này cũng được gọi là mất cân bằng mômen. Theo đó, các lực ly tâm không được bù trừ tác dụng lên các vị trí ổ trục, có thể vượt quá đáng kể các giá trị tính toán và làm giảm tuổi thọ của ổ trục.
Vì loại mất cân bằng này chỉ xảy ra một cách động trong quá trình quay của rôto, nên nó được gọi là mất cân bằng động. Nó không thể được khắc phục trong điều kiện tĩnh bằng cách cân bằng "trên dao" hoặc các phương pháp tương tự. Để loại bỏ mất cân bằng động, cần phải lắp đặt hai quả cân bù, tạo ra một mômen có độ lớn bằng và ngược hướng với mômen do các khối lượng M1 và M2 tạo ra. Các khối lượng bù không nhất thiết phải đặt ngược hướng và có độ lớn bằng với các khối lượng M1 và M2. Điều quan trọng là chúng tạo ra một mômen bù hoàn toàn cho mômen mất cân bằng.
Nhìn chung, khối lượng M1 và M2 có thể không bằng nhau, do đó sẽ có sự kết hợp giữa mất cân bằng tĩnh và mất cân bằng động. Về mặt lý thuyết, đã được chứng minh rằng đối với một rôto cứng, cần có hai quả cân đặt cách nhau dọc theo chiều dài của rôto để loại bỏ sự mất cân bằng của nó. Những quả cân này sẽ bù lại cả mômen xoắn do mất cân bằng động và lực ly tâm do sự bất đối xứng của khối lượng so với trục rôto (mất cân bằng tĩnh). Thông thường, mất cân bằng động là đặc trưng của các rôto dài, chẳng hạn như trục, và mất cân bằng tĩnh là đặc trưng của các rôto hẹp. Tuy nhiên, nếu rôto hẹp bị lệch so với trục, hoặc bị biến dạng ("hình số tám"), thì việc loại bỏ mất cân bằng động sẽ khó khăn (xem Hình 4), vì trong trường hợp này, việc lắp đặt các quả cân hiệu chỉnh tạo ra mômen bù cần thiết là rất khó.
Hai lực F1 và F2 không nằm trên cùng một đường thẳng và không triệt tiêu lẫn nhau.
Do cánh tay đòn tạo mô-men xoắn nhỏ do rôto hẹp, nên có thể cần các quả cân hiệu chỉnh lớn. Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến "sự mất cân bằng cảm ứng" do sự biến dạng của rôto hẹp bởi lực ly tâm từ các quả cân hiệu chỉnh. (Xem ví dụ "Hướng dẫn phương pháp cân bằng rôto cứng (theo ISO 22061-76)". Mục 10. HỆ THỐNG GIÁ ĐỠ RÔTO.)
Điều này đặc biệt rõ ràng đối với các cánh quạt hẹp của quạt, trong đó, ngoài sự mất cân bằng lực, sự mất cân bằng khí động học cũng có tác động. Cần lưu ý rằng sự mất cân bằng khí động học, hay chính xác hơn là lực khí động học, tỷ lệ thuận với tốc độ góc của rô-to; và để bù đắp cho nó, người ta sử dụng lực ly tâm của khối lượng bù, vốn tỷ lệ thuận với bình phương của tốc độ góc. Do đó, hiệu ứng cân bằng chỉ có thể xảy ra ở một tần số cân bằng cụ thể. Ở các tần số quay khác, sẽ có thêm sai số.
Điều này cũng đúng với các lực điện từ trong động cơ điện, vốn cũng tỷ lệ thuận với vận tốc góc. Do đó, không thể loại bỏ hoàn toàn mọi nguyên nhân gây ra rung động trong máy móc chỉ bằng cách cân bằng.
Dao động của cơ cấu
Dao động là phản ứng của thiết kế cơ cấu trước tác động của một lực kích thích tuần hoàn. Lực này có thể có nhiều bản chất khác nhau.
Lực ly tâm sinh ra từ rôto không cân bằng là một lực không được bù trừ tác động lên "điểm nặng". Chính lực này và độ rung do nó gây ra có thể được loại bỏ bằng cách cân bằng rôto.
Các lực tương tác có bản chất "hình học" phát sinh từ các lỗi sản xuất và lắp ráp của các bộ phận ghép nối. Ví dụ, các lực này có thể phát sinh do độ không tròn của cổ trục, sai lệch trong biên dạng răng của bánh răng, độ gợn sóng của rãnh lăn ổ trục, sự lệch trục của các trục ghép nối, v.v. Trong trường hợp cổ trục không tròn, trục quay sẽ bị dịch chuyển tùy thuộc vào góc quay của trục. Mặc dù sự rung động này cũng xảy ra ở tốc độ quay của rôto, nhưng hầu như không thể loại bỏ nó bằng cách cân bằng.
Lực khí động học phát sinh do sự quay của cánh quạt và các cơ cấu cánh khác. Lực thủy động học phát sinh do sự quay của cánh quạt trong máy bơm thủy lực, tuabin, v.v.
Các lực điện từ phát sinh do hoạt động của các máy điện, ví dụ như cuộn dây rôto không đối xứng, cuộn dây bị đoản mạch, v.v.
Độ lớn của dao động (ví dụ: biên độ Av) không chỉ phụ thuộc vào lực kích thích Fv tác dụng lên cơ cấu với tần số góc ω, mà còn phụ thuộc vào độ cứng k của cơ cấu, khối lượng m của nó, cũng như hệ số giảm chấn C.
Có thể sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau để đo rung động và cơ chế cân bằng, bao gồm:
- cảm biến rung động tuyệt đối được thiết kế để đo gia tốc rung động (cảm biến gia tốc) và cảm biến vận tốc rung động;
- Cảm biến rung động tương đối - dòng điện xoáy hoặc điện dung, được thiết kế để đo độ dịch chuyển rung động;
- Trong một số trường hợp (khi thiết kế cơ cấu cho phép), cảm biến lực cũng có thể được sử dụng để đánh giá tải trọng rung; đặc biệt, chúng được sử dụng rộng rãi để đo tải trọng rung của các giá đỡ máy cân bằng ổ cứng.
Vậy, rung động là phản ứng của máy móc trước tác động của các lực bên ngoài. Độ lớn của rung động không chỉ phụ thuộc vào độ lớn của lực tác động lên cơ cấu, mà còn phụ thuộc vào độ cứng của thiết kế cơ cấu. Cùng một lực có thể gây ra các rung động khác nhau. Trong máy cân bằng ổ cứng, ngay cả khi độ rung nhỏ, các ổ trục vẫn có thể phải chịu tải trọng động đáng kể. Đây là lý do tại sao cảm biến lực thay vì cảm biến rung động (gia tốc kế rung) được sử dụng khi cân bằng trên máy cân bằng ổ cứng.
Cảm biến rung được sử dụng trên các cơ cấu có giá đỡ tương đối dẻo, khi tác động của lực ly tâm do mất cân bằng gây ra biến dạng đáng kể ở giá đỡ và dẫn đến rung động. Cảm biến lực được sử dụng cho các giá đỡ cứng, khi ngay cả những lực lớn do mất cân bằng cũng không gây ra rung động đáng kể.
Cộng hưởng là yếu tố cản trở việc cân bằng
Trước đó, chúng ta đã đề cập rằng rôto được chia thành hai loại: cứng và dẻo. Không nên nhầm lẫn giữa độ cứng hoặc độ dẻo của rôto với độ cứng hoặc độ linh hoạt của các giá đỡ (nền móng) mà rôto được lắp đặt trên đó. Một rôto được coi là cứng khi độ biến dạng (uốn cong) của nó dưới tác dụng của lực ly tâm có thể bỏ qua được. Độ biến dạng của rôto dẻo tương đối lớn và không thể bỏ qua.
Trong bài viết này, chúng ta chỉ xem xét vấn đề cân bằng các rô-to cứng. Một rô-to cứng (không biến dạng) có thể được lắp đặt trên các giá đỡ cứng hoặc di động (mềm dẻo). Rõ ràng là độ cứng/tính linh hoạt của các giá đỡ này cũng mang tính tương đối, phụ thuộc vào tốc độ quay của rô-to và độ lớn của lực ly tâm sinh ra. Một giới hạn điều kiện là tần số dao động tự nhiên của các giá đỡ rô-to.
Đối với các hệ thống cơ học, hình dạng và tần số dao động tự nhiên được xác định bởi khối lượng và độ đàn hồi của các thành phần trong hệ thống. Nói cách khác, tần số dao động tự nhiên là một đặc tính nội tại của hệ thống cơ học và không phụ thuộc vào các lực bên ngoài. Khi bị lệch khỏi trạng thái cân bằng, các gối đỡ do tính đàn hồi sẽ có xu hướng quay trở lại vị trí cân bằng. Tuy nhiên, do quán tính của rôto có khối lượng lớn, quá trình này mang tính chất dao động tắt dần. Những dao động này là dao động tự nhiên của hệ thống rôto-gối đỡ. Tần số của chúng phụ thuộc vào tỷ lệ giữa khối lượng của rôto và độ đàn hồi của các gối đỡ.
Khi rôto bắt đầu quay và tần số quay của nó tiệm cận với tần số dao động tự nhiên, biên độ dao động sẽ tăng đột ngột, điều này có thể dẫn đến hư hỏng kết cấu.
Hiện tượng cộng hưởng cơ học xảy ra. Trong vùng cộng hưởng, sự thay đổi tốc độ quay chỉ 100 vòng/phút cũng có thể khiến mức độ rung động tăng lên gấp hàng chục lần. Đồng thời (trong vùng cộng hưởng), pha rung động thay đổi 180°.
Nếu thiết kế của cơ cấu không thành công và tần số hoạt động của rôto gần với tần số dao động tự nhiên, thì cơ cấu sẽ không thể hoạt động được do mức độ rung động quá cao. Điều này không thể thực hiện theo cách thông thường, bởi vì ngay cả một sự thay đổi nhỏ về tốc độ cũng sẽ gây ra sự thay đổi đáng kể trong các thông số rung động. Để cân bằng trong vùng cộng hưởng, người ta sử dụng các phương pháp đặc biệt không được đề cập trong bài viết này.
Có thể xác định tần số dao động tự nhiên của cơ cấu khi chạy đà (khi ngắt nguồn quay rôto) hoặc bằng phương pháp va đập, sau đó tiến hành phân tích phổ phản ứng của hệ thống đối với tác động va đập.
Đối với các cơ cấu có tần số quay làm việc cao hơn tần số cộng hưởng, tức là hoạt động trong chế độ trên cộng hưởng, các gối đỡ được coi là có thể chuyển động và việc đo lường được thực hiện bằng các cảm biến rung động, chủ yếu là cảm biến gia tốc rung, để đo gia tốc của các thành phần kết cấu. Đối với các cơ cấu hoạt động trong chế độ dưới cộng hưởng, các gối đỡ được coi là cứng. Trong trường hợp này, người ta sử dụng các cảm biến lực.
Các mô hình tuyến tính và phi tuyến của một hệ thống cơ học. Tính phi tuyến là yếu tố cản trở việc cân bằng
Khi cân bằng các rô-to cứng, người ta sử dụng các mô hình toán học được gọi là mô hình tuyến tính để thực hiện các tính toán cân bằng. Mô hình tuyến tính có nghĩa là trong mô hình đó, một đại lượng tỷ lệ thuận (tuyến tính) với đại lượng kia. Ví dụ, nếu khối lượng chưa được bù trên rô-to tăng gấp đôi, thì giá trị dao động cũng sẽ tăng gấp đôi. Đối với các rô-to cứng, có thể sử dụng mô hình tuyến tính, vì chúng không bị biến dạng.
Đối với các rô-to dẻo, không thể áp dụng mô hình tuyến tính nữa. Đối với một rô-to dẻo, nếu khối lượng tại điểm nặng tăng lên trong quá trình quay, sẽ xảy ra biến dạng bổ sung; ngoài khối lượng, bán kính tại vị trí của điểm nặng cũng sẽ tăng lên. Do đó, đối với rô-to dẻo, độ rung sẽ tăng gấp hơn hai lần, và các phương pháp tính toán thông thường sẽ không còn hiệu quả.
Ngoài ra, độ đàn hồi của các điểm tựa sẽ thay đổi khi chúng bị biến dạng lớn; ví dụ, khi biến dạng nhỏ, một số bộ phận kết cấu sẽ hoạt động, còn khi biến dạng lớn, các bộ phận kết cấu khác sẽ tham gia. Đây là lý do tại sao không thể cân bằng các cơ cấu không được cố định trên nền móng, mà chỉ đơn giản là đặt trên sàn. Khi có rung động mạnh, lực mất cân bằng có thể kéo cơ cấu ra khỏi sàn, từ đó làm thay đổi đáng kể các đặc tính độ cứng của hệ thống. Chân động cơ phải được gắn chặt, các giá đỡ bu lông phải được siết chặt, độ dày vòng đệm phải đảm bảo độ cứng lắp đặt đủ, v.v. Nếu ổ trục bị hỏng, có thể xảy ra hiện tượng lệch trục và va đập đáng kể, điều này cũng sẽ dẫn đến độ tuyến tính kém và không thể thực hiện cân bằng chất lượng.
Thiết bị cân bằng và máy cân bằng
Như đã nêu ở trên, cân bằng là quá trình căn chỉnh trục quán tính trung tâm chính với trục quay của rôto.
Quy trình này có thể được thực hiện bằng hai phương pháp.
Phương pháp đầu tiên bao gồm việc gia công các trục quay của rôto sao cho trục đi qua tâm của mặt cắt ngang các trục quay này giao với trục quán tính chính của rôto. Kỹ thuật này hiếm khi được áp dụng trong thực tế và sẽ không được đề cập chi tiết trong bài viết này.
Phương pháp thứ hai (phổ biến nhất) là di chuyển, lắp đặt hoặc tháo gỡ các khối hiệu chỉnh trên rôto, sao cho trục quán tính của rôto nằm càng gần trục quay của nó càng tốt.
Việc di chuyển, thêm hoặc bớt các khối cân chỉnh trong quá trình cân bằng có thể được thực hiện thông qua các công đoạn kỹ thuật khác nhau, bao gồm: khoan, phay, gia công bề mặt, hàn, vặn hoặc tháo vít, cắt bằng tia laser hoặc tia điện tử, điện phân, phủ bề mặt bằng từ trường, v.v.
Quá trình cân bằng có thể được thực hiện theo hai cách:
- cân bằng các rô-to đã lắp ráp (trong các ổ trục riêng của chúng) bằng máy cân bằng;
- Cân bằng rôto trên máy cân bằng. Để cân bằng rôto trong chính ổ trục của chúng, người ta thường sử dụng các thiết bị cân bằng chuyên dụng (bộ dụng cụ), cho phép đo độ rung của rôto đã được cân bằng ở tần số quay của nó dưới dạng vectơ, tức là đo cả biên độ và pha của dao động. Hiện nay, các thiết bị trên được sản xuất dựa trên công nghệ vi xử lý và (ngoài việc đo lường và phân tích rung động) còn cung cấp tính toán tự động các thông số của vật nặng hiệu chỉnh, cần được lắp đặt trên rôto để bù đắp sự mất cân bằng của nó.
Các thiết bị này bao gồm:
- một thiết bị đo lường và tính toán dựa trên máy tính hoặc bộ điều khiển công nghiệp;
- hai (hoặc nhiều hơn) cảm biến rung;
- Cảm biến góc pha;
- phụ kiện để lắp đặt các cảm biến tại hiện trường;
- phần mềm chuyên dụng, được thiết kế để thực hiện toàn bộ quy trình đo các thông số rung động của rôto trên một, hai hoặc nhiều mặt phẳng hiệu chỉnh.
Hiện nay, có hai loại máy cân bằng được sử dụng phổ biến nhất:
- Máy cân bằng ổ mềm (với gối đỡ mềm);
- Máy sử dụng ổ trục cứng (có giá đỡ cố định).
Các máy cân bằng ổ mềm có các gối đỡ tương đối dẻo, ví dụ như dựa trên các lò xo phẳng. Tần số dao động tự nhiên của các gối đỡ này thường thấp hơn 2–3 lần so với tần số quay của rôto được cân bằng gắn trên chúng. Các cảm biến rung (gia tốc kế, cảm biến vận tốc rung, v.v.) thường được sử dụng khi đo rung động của các gối đỡ tiền cộng hưởng của máy.
Các máy cân bằng trước tần số cộng hưởng sử dụng các giá đỡ tương đối cứng, với tần số dao động tự nhiên phải cao gấp 2-3 lần tần số quay của rôto cần cân bằng. Thông thường, người ta sử dụng cảm biến lực để đo tải trọng dao động của các giá đỡ trên máy cân bằng trước tần số cộng hưởng.
Ưu điểm của máy cân bằng tiền cộng hưởng là có thể thực hiện cân bằng ở tốc độ quay rôto tương đối thấp (lên đến 400 - 500 vòng/phút), điều này giúp đơn giản hóa đáng kể thiết kế máy và nền móng, đồng thời tăng năng suất và độ an toàn của quá trình cân bằng.
Cân bằng rô-to cứng
Lưu ý quan trọng!
- Việc cân bằng chỉ loại bỏ được rung động do sự phân bố không đối xứng của khối lượng rôto so với trục quay của nó. Các loại rung động khác không thể được loại bỏ bằng cách cân bằng!
- Các cơ cấu kỹ thuật, được thiết kế để đảm bảo không xảy ra hiện tượng cộng hưởng ở tần số quay làm việc, được cố định chắc chắn trên nền móng và lắp đặt trên các ổ đỡ trong tình trạng hoạt động tốt, phải được cân bằng.
- Máy móc bị hỏng phải được sửa chữa trước khi cân bằng. Nếu không, sẽ không thể thực hiện cân bằng chất lượng.
Việc cân bằng không thể thay thế cho việc sửa chữa!
The main task of balancing is to find the mass and location of compensating weights that counteract the centrifugal forces.
Như đã đề cập ở trên, đối với các rôto cứng, việc lắp đặt hai khối cân bằng thường là điều cần thiết và đủ. Điều này sẽ loại bỏ cả sự mất cân bằng tĩnh và động của rôto. Sơ đồ chung để đo rung động trong quá trình cân bằng như sau.
Các cảm biến rung được lắp đặt trên các giá đỡ ổ trục tại các điểm 1 và 2. Một dấu hiệu định vị vòng quay được gắn vào rô-to, thường bằng băng phản quang. Dấu hiệu RPM này được máy đo tốc độ quay bằng laser sử dụng để xác định tốc độ quay của rô-to và pha của tín hiệu rung.
Cách thức thực hiện cân bằng động (phương pháp ba lần chạy)
Trong hầu hết các trường hợp, việc cân bằng động được thực hiện theo phương pháp ba lần khởi động. Phương pháp này dựa trên nguyên lý đặt các khối cân thử có khối lượng đã biết lên rô-to theo thứ tự trên các mặt phẳng 1 và 2, đồng thời tính toán khối lượng và vị trí của các khối cân bằng dựa trên kết quả thay đổi của các thông số rung động.
Vị trí lắp đặt các khối cân được gọi là mặt phẳng hiệu chỉnh. Thông thường, các mặt phẳng hiệu chỉnh được chọn trong khu vực các giá đỡ ổ trục mà trên đó rotor được lắp đặt.
Trong lần khởi động đầu tiên, người ta tiến hành đo độ rung ban đầu. Sau đó, một quả cân thử có khối lượng đã biết được đặt lên rô-to, gần một trong các ổ trục. Tiến hành khởi động lần thứ hai và đo các thông số rung động, các thông số này sẽ thay đổi do việc lắp đặt quả cân thử. Sau đó, quả cân thử ở mặt phẳng hiệu chỉnh thứ nhất được tháo ra và lắp vào mặt phẳng hiệu chỉnh thứ hai. Tiến hành chạy thử lần thứ ba và đo các thông số rung động. Quả cân thử được tháo ra và phần mềm sẽ tự động tính toán khối lượng và góc lắp đặt của các quả cân cân bằng.
Mục đích của việc lắp đặt các khối cân thử nghiệm là để xác định cách hệ thống phản ứng trước những thay đổi về sự mất cân bằng. Vì khối lượng và vị trí của các khối cân thử nghiệm đã được biết trước, phần mềm có thể tính toán các “hệ số ảnh hưởng”, cho thấy việc tạo ra một sự mất cân bằng đã biết sẽ tác động như thế nào đến các thông số dao động. Các hệ số ảnh hưởng là các đặc tính của chính hệ thống cơ học và phụ thuộc vào độ cứng của các giá đỡ cũng như khối lượng (quán tính) của hệ thống rô-to-giá đỡ.
Đối với các cơ cấu cùng loại và cùng thiết kế, các hệ số ảnh hưởng sẽ có giá trị gần nhau. Có thể lưu trữ các hệ số này trong bộ nhớ máy tính và sử dụng chúng để cân bằng các cơ cấu cùng loại mà không cần chạy thử, từ đó giúp tăng đáng kể năng suất của quá trình cân bằng. Lưu ý rằng khối lượng của các quả cân thử phải được lựa chọn sao cho các thông số rung động thay đổi rõ rệt khi lắp đặt các quả cân này. Nếu không, sai số trong tính toán các hệ số ảnh hưởng sẽ tăng lên và chất lượng cân bằng sẽ bị suy giảm.
As you can see from Fig. 1, the centrifugal force acts in the radial direction, i.e. perpendicular to the rotor axis. Therefore, the vibration sensors must be installed so that their axis of sensitivity also points in the radial direction. Usually, the stiffness of the foundation in the horizontal direction is less, so the vibration in the horizontal direction is higher. Therefore, in order to increase the sensitivity, the sensors should be installed so that their axis of sensitivity is also directed horizontally. Although there is no fundamental difference. In addition to vibration in the radial direction, vibration in the axial direction, along the rotor rotation axis, must be monitored. This vibration is usually not caused by unbalance, but by other causes, mainly related to misalignment of the shafts connected through the coupling.
Sự rung động này không thể loại bỏ bằng cách cân bằng, trong trường hợp đó cần phải căn chỉnh. Trên thực tế, các máy móc như vậy thường có cả sự mất cân bằng rôto và lệch trục, điều này làm cho việc loại bỏ rung động trở nên khó khăn hơn nhiều. Trong những trường hợp như vậy, cần phải căn chỉnh máy trước rồi mới cân bằng. (Mặc dù với sự mất cân bằng mô-men xoắn mạnh, rung động cũng xảy ra theo hướng trục do sự "xoắn" của kết cấu nền.)
Các bài viết liên quan (ví dụ về giá đỡ thăng bằng)
Tiêu chí đánh giá chất lượng cơ chế cân bằng
Chất lượng cân bằng của rôto (cơ cấu) có thể được đánh giá theo hai cách. Phương pháp thứ nhất là so sánh mức độ mất cân bằng dư được xác định trong quá trình cân bằng với dung sai cho phép đối với mất cân bằng dư. Các dung sai này đối với các loại rôto khác nhau được quy định trong tiêu chuẩn ISO 1940-1-2007. Phần 1. Định nghĩa về mức mất cân bằng cho phép.
Tuy nhiên, việc tuân thủ các dung sai quy định không thể đảm bảo hoàn toàn độ tin cậy hoạt động của cơ cấu, vốn liên quan đến việc đạt được mức độ rung động tối thiểu của nó. Điều này được giải thích bởi thực tế là cường độ rung động của cơ chế không chỉ được xác định bởi cường độ lực liên quan đến sự mất cân bằng dư của rôto, mà còn phụ thuộc vào một số thông số khác, bao gồm: độ cứng k của các yếu tố cấu trúc cơ chế, khối lượng m, hệ số giảm chấn, cũng như tần số quay. Do đó, để đánh giá các đặc tính động học của cơ cấu (bao gồm cả chất lượng cân bằng của nó), trong một số trường hợp, nên ước tính mức độ rung động dư của cơ cấu, được quy định bởi một số tiêu chuẩn.
Tiêu chuẩn phổ biến nhất quy định các mức độ rung động cho phép của các cơ cấu là ISO 10816-3-2002. Nhờ tiêu chuẩn này, có thể xác định các giới hạn dung sai cho bất kỳ loại máy móc nào, dựa trên công suất của hệ thống truyền động điện của chúng.
Ngoài tiêu chuẩn chung này, còn có một số tiêu chuẩn chuyên ngành được xây dựng dành cho các loại máy móc cụ thể. Ví dụ như 31350-2007, ISO 7919-1-2002, v.v.
Tiêu chuẩn và tài liệu tham khảo
- ISO 1940-1:2007. Rung động. Yêu cầu về chất lượng cân bằng của rôto cứng. Phần 1. Xác định độ mất cân bằng cho phép.
- ISO 10816-3:2009. Rung động cơ học — Đánh giá rung động của máy móc bằng cách đo trên các bộ phận không quay — Phần 3: Máy công nghiệp có công suất định mức trên 15 kW và tốc độ định mức từ 120 vòng/phút đến 15.000 vòng/phút khi đo tại chỗ.
- ISO 14694:2003. Quạt công nghiệp — Thông số kỹ thuật về chất lượng cân bằng và mức độ rung.
- ISO 7919-1:2002. Rung động của máy móc không có chuyển động tịnh tiến — Các phép đo trên trục quay và tiêu chí đánh giá — Hướng dẫn chung.
Câu hỏi thường gặp
Liệu việc cân bằng có loại bỏ hoàn toàn rung động không?
Không. Cân bằng giúp loại bỏ rung động do sự phân bố khối lượng rôto không đối xứng so với trục quay của nó. Rung động do lệch trục, lỗi ổ trục, lực khí động học/thủy động học, lực điện từ và các nguyên nhân khác cần được chẩn đoán và khắc phục riêng biệt.
Tại sao quá trình cân bằng có thể thất bại gần điểm cộng hưởng?
Gần điểm cộng hưởng, những thay đổi nhỏ về tốc độ có thể gây ra những thay đổi lớn về biên độ dao động và độ lệch pha 180°. Trong điều kiện như vậy, kết quả đo trở nên không ổn định và các quy trình cân bằng thông thường có thể không hội tụ nếu không sử dụng các phương pháp đặc biệt.
Khi nào bạn cần cân bằng trên một mặt phẳng so với cân bằng trên hai mặt phẳng?
Đối với rôto cứng, hai quả cân được đặt cách nhau dọc theo chiều dài rôto thường là cần thiết và đủ để loại bỏ sự mất cân bằng tĩnh và động kết hợp. Rôto hẹp thường chủ yếu thể hiện sự mất cân bằng tĩnh, nhưng biến dạng và hình dạng có thể tạo ra thành phần động, có thể cần đến sự hiệu chỉnh trên hai mặt phẳng.
Cần làm gì trước khi cân bằng?
Hãy đảm bảo máy móc hoạt động tốt: lắp đặt chắc chắn vào nền móng, ổ bi hoạt động tốt, không bị lỏng nghiêm trọng và không có nguồn gây ra hiện tượng phi tuyến tính rõ ràng. Cân bằng không thể thay thế cho việc sửa chữa.
Những điểm chính cần ghi nhớ
- Việc cân bằng giúp khắc phục sự kích thích liên quan đến khối lượng (ly tâm); nó không giải quyết được sự sai lệch, hư hỏng ổ trục hoặc các nguồn điện từ/khí động học.
- Hiện tượng cộng hưởng và phi tuyến tính có thể khiến các phương pháp cân bằng thông thường trở nên không hiệu quả hoặc không an toàn.
- Đối với rôto cứng, cân bằng hai mặt phẳng là giải pháp tổng quát cho sự mất cân bằng kết hợp tĩnh và động.
